铸造过程的模拟仿真技术及在发动机零部件设计上的应用

铸造模拟

铸锻材料与工艺研究所

铸造过程的模拟仿真技术及在发动机零部件设计上的应用

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目录铸造过程的模拟仿真技术介绍 铸件充型过程(流场)数值模拟 凝固过程(温度场)数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟

铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用 496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖

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数值模拟： 在计算机上实现的一个特定的计算，通 过数值计算和图像显示，履行一个虚拟的物 理实验—数值试验。

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有限元法

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有限元法

有限元法(FEM-finite element method) 用有限个单元将连续体离散化，通过对有限 个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一 种数值方法。求解离散方程组就得到有限元法的 数值解。

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铸造过程的模拟仿真技术铸造过程是个复杂的过程，并且过程不可见， 很难通过控制铸造过程来控制铸件质量。所以提 出了可视化铸造。 可视化铸造技术通过计算机模拟和X射线实 时观察技术使整个铸造过程变成可视过程。可视 化技术可以有效地发现铸件可能产生缺陷的位置 和种类，从而指导工艺人员采取恰当的工艺措施 加以避免。

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铸造过程的模拟仿真技术

通过数值模拟的应用，可以分析铸件中存在 的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施 来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量 的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的 周期，增强产品的市场竞争能力。

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铸造过程的模拟仿真技术铸造模拟技术应用流程图

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目录铸造过程的模拟仿真技术介绍 铸件充型过程(流场)数值模拟 凝固过程(温度场)数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟

铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用 496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖

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铸件充型过程(流场)数值模拟

液态金属的充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的 许多缺陷在此过程中形成。铸件充型过程中会产生氧化、 传热、热损失、冲击破坏等一系列化学和物理的变化，因 此充型过程与铸件质量

密切相关。 研究金属液对铸型的充填能力以及金属液与铸型的热、 物理、化学作用，了解和掌握充型过程的流动规律，进而 正确设计浇注系统、排溢系统，设置充型工艺参数，保证 金属液平稳有序地充型，是得到优质健全铸件的重要条件 之一 。

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铸件充型过程(流场)数值模拟流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括： 质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

连续性方程(质量守恒--单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。)

动量守恒方程(动量守恒--微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。即牛顿第二定律)

能量守恒方程(能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本规律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元 体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际上是热力 学第一定律。)

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铸件充型过程(流场)数值模拟

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铸件充型过程(流场)数值模拟 浇注系统----引导金属液以一定方式填充型腔的通 道，对金属流的流动方向、排气条件、模具热状 态、压力传递、填充时间及内浇口速度起着重要 的控制和调节作用。压铸压射速度----压室内冲头推动金属 液时的移动速度。 直浇道 慢压射速度----通常包括冲头越过浇料 口这段行程。一般为0.1~0.5m/s。 快压射速度----确定内浇道截面积、内 浇口速度，然后根据压室直径得到。

横浇道

内浇道

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铸件充型过程(流场)数值模拟 排溢系统----熔融金属在填充型腔过程中，排除型 腔内的气体、涂料余烬以及流动金属前沿的冷金 属的通道和处所。溢口作用： 排除在填充过程中流动金属前沿的冷金属 容纳混有气体、氧化物、涂料等异物的金属 控制金属流的填充形态 消除或转移缩孔、气孔、涡流和冷隔等缺陷 布置推杆，利于顶出铸件

溢流槽

排气道

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铸件充型过程(流场)数值模拟

避免冷隔、浇不足、氧化夹杂、气孔等铸造 缺陷的方法：主要从铸

造工艺方面控制，保证合理的充填顺序和充 填速度，控制金属液的流向，避免空气的卷入，在最后 充填的部位设置排气孔、溢流槽，以及控制浇注温度等。

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铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用 496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖

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铸件凝固过程(温度场)数值模拟

凝固过程指高温液态金属由液相向固相的转变过 程。 铸件凝固过程数值模拟是指：建立铸件凝固过程 中传热的数学模型，并通过数值方法进行求解，从 而得到铸件凝固过程的规律，预测铸件缺陷(缩孔、 缩松)产生的可能性及位置。

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铸件凝固过程(温度场)数值模拟

凝固过程中热量的传递包括：金属及铸型 内部的热传导，金属与大气间的辐射传热和 对流传热。 热传导 对流换热 热辐射 凝固过程结晶潜热的处理

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